小球藻的功能食品和营养强化剂应用

小球藻的功能食品和营养强化剂应用

小球藻是一个简单的绿色藻类，属于绿藻门、绿藻素描和小球藻范畴。目前世界上已知的小球藻约10种,加上其变种可达数百种之多。小球藻广泛分布于自然界,以淡水水域种类最多;易于培养,不仅能利用光能自养,还能在异养条件下利用有机碳源进行生长、繁殖;并且生长繁殖速度快,是地球上动植物中唯一能在20h增长4倍的生物,所以其应用价值很高。我国常见的种类有蛋白核小球藻、椭圆小球藻、普通小球藻等,其中蛋白核小球藻蛋白质含量高,营养价值最高。已有研究表明,小球藻含丰富的蛋白质、脂质、多糖、食用纤维、维生素、微量元素和活性代谢产物,其多糖及糖蛋白已被国外学者证明具有抗肿瘤活性、抗病原菌、抗病毒感染及增强免疫力等活性,正成为近些年来研究的热点。目前小球藻已广泛应用于食品添加剂、动物饲料、美容以及医药保健等领域,尤其是美国和日本将其作为优良食品和动物饲料添加剂已有30多年的历史。近年来我国也开始重视小球藻的开发利用,虽并不成熟,但其作为食品领域的一个重要分支具有广阔的发展前景。1小球藻的营养价值1.1小球藻氨基酸组成及含量小球藻蛋白质含量很高,但营养成分会因藻种品系、培养方式以及培养基的不同而有所差异。对莆田神州生物工程有限公司利用生态培养工艺生产的蛋白核小球藻产品成分进行提取分析认为,小球藻是一种品质优良的植物蛋白源。分析表明,小球藻粉中蛋白质含量可达63.36%~63.98%,优于其他植物性蛋白源,接近鱼粉及啤酒酵母的蛋白质水平,这比大豆粗蛋白的含量还要高。其蛋白质效率(PRE)、纯蛋白利用率(NPU)、生物学价值(BV)、消化系数(DC)接近标准蛋白(酪蛋白),而优于常见食品(表1)。小球藻蛋白质含量高、品质优良。研究表明,小球藻含有18种氨基酸,其中包括8种人体必需氨基酸。以谷氨酸、天冬氨酸、亮氨酸含量较高,胱氨酸含量较低。氨基酸总量(TAA)达到55.95%,其中必需氨基酸含量(EAA)达23.35%。小球藻粉中的必需氨基酸含量高于我国主要饲料肉粉(16.46%)、大豆饼(12.64%)、花生仁饼(9.81%)、苜蓿草粉(5.81%)、玉米蛋白饲料(5.81%),接近优质鱼粉(23.97%)和啤酒酵母(23.70%)。蛋白质中缺少某些必需氨基酸时,其他氨基酸也难以被充分利用,从而降低了总蛋白质的消化率。因此,食物蛋白质营养价值的高低不仅取决于氨基酸的含量,还取决于其所含必需氨基酸的种类、数量和构成比例。资料表明,小球藻中8种必需氨基酸的量均达到或接近FAO的标准,其中胱氨酸和蛋氨酸的含量偏低,为第一限制氨基酸,苏氨酸含量略低,为第二限制氨基酸。小球藻中的必需氨基酸占氨基酸总量的比值(E/T)为0.42,必需氨基酸与非必需氨基酸比值(E/N)为0.72,均符合WHO和FAO提出的理想蛋白质中人体必需氨基酸含量模式和评分标准。综上所述,小球藻蛋白质含量颇丰,氨基酸种类齐全并且比例接近标准模式,完全能满足人、动物的生长所需,是优良的单细胞蛋白源,可以作为营养强化剂应用于食品产业,应用时应注意与蛋氨酸、胱氨酸以及苏氨酸的配合,通过氨基酸的互补进一步提高其营养价值。此外,据研究分析表明,异养蛋白核小球藻粉的F值(F值是指支链氨基酸与芳香族氨基酸的物质的量比)为4.9,而食品原料的F值一般不会超过3.0,所以异养蛋白核小球藻可作为生产高F值寡肽的原料。高F值寡肽(F>3.0)是一种低分子质量的生物活性肽,可辅助治疗肝硬化、肝性脑病,且具有抗疲劳作用。1.2小球藻的糖蛋白多糖是一种广泛存在于动物细胞膜、植物及微生物细胞壁的生物大分子物质,是生命组成的4大基本物质之一。小球藻多糖具有增强免疫活性的功能。小球藻这一营养成分的特殊功能使其在医疗保健领域得到应用。魏文志等将小球藻经热水抽提、脱蛋白、乙醇沉淀得粗糖蛋白,粗糖蛋白经Sephadex-75层析得到糖蛋白纯品。经过和单糖组分对比,小球藻糖蛋白中主要含葡萄糖、半乳糖、鼠李糖,它们的比例为7.3:1.97:1。另外还含有少量的阿拉伯糖、木糖和甘露糖。但在不同提取液中提取所含单糖的组分会不同。1.3脂肪酸及亚麻酸脂肪的主要功能是组成生物膜、提供能量、作为脂溶性物质的媒介。流行病学证明多食不饱和脂肪酸有利于身体健康,目前最具代表性的不饱和脂肪酸是花生四烯酸,它可由必需脂肪酸如亚油酸和亚麻酸合成得到,具有降血压、降血脂以及抗动脉粥样硬化等生理活性。胡月薇对异养蛋白核小球藻进行营养成分分析,结果表明异养蛋白核小球藻粉中不饱和脂肪酸的比例高达77.24%,而且链长集中在C16~C18,其中必需脂肪酸亚油酸和α-亚麻酸含量分别为47.17%和13.03%,这在其他食品中是很少见的。因此,小球藻的这些营养要素使其具备了特殊的保健功能。此外值得一提的是,与蛋白质含量相比,小球藻的脂肪含量可以说是比较低的,可作为高蛋白低脂食品。1.4营养成分分析小球藻还含有丰富的维生素、矿物质。20g小球藻粉所含的维生素、矿物质大约相当于1kg普通蔬菜的含量。李师翁等应用原子吸收光度法检测到了多种矿物质元素,其中微量元素铁、锌、锰的含量很高。小球藻还含有广泛的B族维生素、VC、VK、VE和多种色素。经过分析小球藻的主要营养成分,表明它是一种优质的绿色营养源食品,其主要营养成分甚至优于某些主要食品,具有高蛋白、低脂肪、低糖、低热量以及维生素、矿物质元素含量丰富的优点,并且具有某些特殊医疗保健功能。因此,小球藻是食品添加剂以及保健食品等的优质健康食品源。2小球藻的保健功能2.1小球藻的饲养小球藻具有抑制脂肪吸收,刺激高脂肪食品排出的功能。在临床研究中,Merchant等让33位高血压患者每天服用10g小球藻片和100mL小球藻汁,3个月后测量心脏舒张血压和血清脂质含量,发现小球藻能显著降低血压和血清中胆固醇含量。所以小球藻可以用于防治高血脂以及与脂肪过剩有关的疾病。采用含有32.6%小球藻的饲料口服喂养6只Wistar雄鼠,连续14d,在最后3d收集其粪便。3d中排粪便(3.47±0.63)g,排泄总脂量为(0.98±0.10)g,对照组的结果分别是(5.13±0.62)g和(0.15±0.03)g,脂肪排出量显著增高。2.2提高机体抗菌材质小球藻主要是通过提高巨噬细胞的吞噬能力,促进淋巴细胞转化,增加淋巴细胞数,增强自然杀伤细胞的活力来提高机体的免疫力,主要与以下几种活性物质的功效有关。2.2.1动物氨基酸及免疫活性小球藻生长因子(chlorellagrowthfactor,CGF),也叫小球藻精,是细胞活性物质。经实验分析表明,小球藻生长因子主要含氨基酸、核苷酸、多糖、蛋白质、维生素等功能性成分,含19种氨基酸,其中7种为人体必需氨基酸,核苷酸总量达6.8%,多糖含量为4.8%,还含有VA、VB以及生物素等。刘海琴等分别采用75、150、450mg/(kgbw·d)剂量的CGF对小鼠喂食30d,进行免疫调节实验,结果表明,150、450mg/(kgbw·d)剂量的小球藻生长因子可以增强二硝基氟苯(DNFB)引起的小鼠迟发性超敏反应,具有增强小鼠血清溶血素的反应,对造血功能受损的小鼠具有恢复作用,同时还可以提高小鼠单核-巨噬细胞吞噬功能。从而说明,小球藻生长因子具有免疫调节的功能,并经毒理实验证明CGF是无毒物质,因此其作为保健品和功能食品的添加剂具有广阔的前景。2.2.2cve对小鼠脏器相关指标的影响Hasegawa等报道CVE能通过促进辅助性淋巴细胞(Th1)产生干扰素(IFN)来加强小鼠抗单核细胞增生李斯特菌(L.Monocytogenes)感染的能力。经口服喂养,CVE能增强小鼠脾脏中Thl和IFN的表达以及对干酪素抗原的应激性反应。Dantas等在另一实验中进一步研究了CVE对感染了单核细胞增生李斯特菌的小鼠的自然杀伤细胞活力的影响。结果表明,CVE能通过提高自然杀伤细胞活力来增强小鼠的免疫力,使小鼠可在致死性单核细胞增生李斯特菌感染后存活下来。2.2.3小鼠的免疫功能测定发生情况动物实验证明小球藻多糖具有免疫调节活性。按0.4mL/(20gbw)的量灌胃给小鼠100、50、25mg/mL3个剂量的蛋白核小球藻多糖溶液,连续进行30d。测定各实验组的体质量、相关脏器质量、迟发型变态反应(DTH)、血清凝集素抗体积数和吞噬细胞作用。结果表明,在100mg/mL和50mg/mL的剂量下,小鼠的吞噬指数、吞噬率和迟发型变态反应(DHT)、抗体积数与对照相比,差异都十分显著。这表明,蛋白核小球藻多糖对小鼠的免疫功能有显著的调节作用。此外,经研究表明,异养蛋白核小球藻也显示出很强的免疫活性功能。它能显著增强吞噬细胞的吞噬能力,提高吞噬指数以及吞噬率;显著提高小鼠NK细胞的活性;促进小鼠淋巴细胞的增值和转化;增加浆细胞数和半数溶血值,显著增强小鼠体液免疫活性。从而说明异养蛋白核小球藻也具有免疫调节活性。2.3小球藻蛋白的清除自由基活性研究小球藻糖蛋白具有抗氧化作用,可清除体内自由基。自由基是人体生命活动中生化反应的中间产物,这包括超氧阴离子自由基(O2·)和羟自由基(·OH)等。许多疾病的发生发展与自由基对组织的损伤有密切的关系,它们可以损伤碳水化合物、蛋白质、脂类、核酸等生物大分子物质,导致功能和代谢紊乱,加快机体的衰老过程,诱发癌症、心血管疾病等。正常情况下,机体产生和清除自由基处于动态平衡。但当物理或生物的因素引起自由基不能被及时清除,外源自由基清除剂可以降低体内自由基水平,使机体维持一个良好的状态。从小球藻中提取蛋白质,在体外设计清除超氧阴离子自由基(O2·)和羟自由基(·OH)实验,结果表明,所提取的蛋白质能清除超氧阴离子自由基,且随浓度升高清除能力逐渐升高;但对羟自由基的清除是有条件的,具有清除和生成的双重功效,黑暗条件下能清除羟自由基,浓度越高清除能力越强,但光照条件下则会生成羟自由基。2.4pcm-4在肿瘤中的生长小球藻具有抑制致癌物质的诱变性和基因毒性的作用,从而具有抗肿瘤的生理特性。研究者发现从普通小球藻S-50中抽提的水溶物质PCM-4对移植鼠肿瘤具有抗肿瘤活性。经口和腹腔注射给予PCM-4后,S180和MethA的生长以及腹水肝癌AH44、AH41C的生长均受到抑制。Tanaka等发现小球藻的一种蛋白质提取物(CVS)能显著抑制小鼠的诱发性和自发性肿瘤转移。CVS的这种抑制作用可在肿瘤内给药再加皮下注射得到加强。CD4淋巴细胞具有抗肿瘤作用,在肿瘤发生时注射CVS后,CD4细胞数量就会在淋巴节中明显增加。手术前使用CVS可阻止肿瘤转移或防止肿瘤进一步恶化。2.5保肝、生物固定在大鼠饲料中加入5%小球藻粉,喂养结果显示,实验组大鼠肝的总脂量、甘油三酸酯、胆固醇含量均低于对照组,对乙基硫氨酸引起的中毒反应也比对照组轻,且恢复快。这说明小球藻中含有某种保肝、解毒成份。Morita等连续5d采用含有10%小球藻粉的饲料经口喂养小鼠,在这5d中被给予小球藻粉的小鼠排泄的多氯毒物明显高于对照组。因此小球藻具有调节肠胃吸收和促进毒素排泄等功能。2.6其他据研究小球藻还具有抗辐射、防治胃溃疡和溃疡性大肠炎等各种炎症、缓解心理压力和纤维肌痛等生理活性。3小球藻的毒副反应经过急性毒性实验、骨髓微核实验、蓄积毒性实验以及精子畸变实验,结果与对照组均无显著变化,也未发现小鼠有不良反应,微核率以及精子畸形率与对照组也没有显著差异。从而可得到结论:小球藻作为食品为实际无毒级物质,其对体细胞无诱变作用,无蓄积毒性作用,对生殖细胞无诱变畸形作用。毒理学研究结果表明,小球藻作为食品是安全的,是一种优良的营养强化剂。但有资料表明其不能作为食品中蛋白质的唯一来源,大量食用藻类的缺陷之一是藻类的核酸水平比较高,平均核酸含量在4%~6%,而过量的核酸会导致血清中尿酸水平的增高,引发高尿酸血症、痛风、肾结石或其他肾病。所以摄入也不能过量,成人每天食用20g小球藻即可满足人体每日必需的维生素、矿物质及8种必需氨基酸,并且也是安全可靠的。4人类营养:背景公民教育小球藻由于含有丰富的蛋白质、氨基酸、维生素及矿物质,具有很高的营养价值,并且其特有的活性因子使其具有一定的医疗保健作用,所以被列为21世纪人类绿色营养源健康食品。目前各国都对其进行开发利用,作为食品添加剂以及保健食品应用于食品领域。4.1光能自养培养小球藻既可以进行自养培养又可以进行异养培养。传统的多采用自养培养,小球藻的自养培养既可利用自然光照,也可以利用人工光照,培养基主要由无机化合物组成,最适pH值为6.5~7.5,最适光照强度为36~90μmol/(m2·s),温度为20~30℃。研究表明,pH值是影响小球藻生长的重要因素,光照强度和通气量通过影响小球藻光合作用强度而调节小球藻的生长。光能自养的培养方式目前包括开放池培养和封闭式培养。前者设备简单、技术含量低、投资少,但产量低且易受自然条件的影响。后者主要有密闭发酵罐和玻璃管道光合生物反应器培养两种方式。较之前者,封闭式培养成本增加,但产量增加了10倍,并且易于控制,产量和质量都有所保证。小球藻异养培养较自养培养起步慢,但近些年来对异养培养的研究受到众多学者的重视。异养培养不受光照和温度的影响,可以克服自养培养的诸多缺陷,虽然异养培养后的小球藻的营养成分含量有所降低,但在相同培养时间下,单位体积异养藻的收获量是自养藻的10倍。所以,异养条件下单位体积小球藻单细胞蛋白产量仍要高于自养小球藻。2004年,闫海等从天然水体中成功筛选出了能够异养生长的小球藻种,批量培养5d可获得26g/L的藻细胞干质量浓度,为小球藻异养培养工业化生产奠定了基础。4.2小球藻的加工工艺小球藻是单细胞微藻,有坚固的纤维素细胞壁,甚至连反刍动物都很难消化,人体直接食用会影响对其的消化率,进而也会影响蛋白质的利用率,所以对其破壁加工是必须的。多年来科学家一直不断研究可行的、效率高的破壁方法,以提高对小球藻的利用率。何扩等通过比较各种破壁方法,找到了一种比较理想的破壁方法:采用超声波渗透压复合磷酸盐同类方法中,酶法效果最好;其中以纤维素酶法对小球藻的破壁率最高;纤维素酶与复合酶、糖化酶复合作用的效果不及纤维素酶单独作用效果好。此外,小球藻在作为食品开发前必须经过热处理并且要求制成片剂时不能使用乙醇。因为1977年曾有人吃小球藻得光敏性疾病的报道,后研究表明,这种小球藻是收获后直接用乙醇和水制成片剂的,可能是残留在藻片中的叶绿素酶诱导了光敏性物质如脱镁叶绿酸的形成。小球藻经过离心分离,得到的浓缩藻液经过干燥可加工制成小球藻粉,还可进一步压制成片剂投放市场。而干燥的方式及其设备也对其利用率有一定的影响,经测试,以转鼓式干燥工艺为最佳。另据有关资料报道,日本Y.S.K药效开发株式会社发明的Dynaill破壁处理工艺,可使小球藻的消化率提高80%~90%。由于小球藻具有藻类特有的腥味,所以在应用于食品开发时还需要进一步加工以去除或遮盖腥味,尤其是制备口服液时去腥是关键。通过研究比较几种去腥方法,最终结果表明β-环糊精除腥效果好,并且脱腥原理是将绿藻多肽、藻蓝蛋白等腥味物质包埋起来,达到掩盖腥味的效果,有效成分并没有损失,对产品本身的色泽感官性状影响也较小。4.3保健、食品加工小球藻富含多种营养成分,如上所述还具有多种保健和生理功能,可用于开发新型功能性食品,还可用于视频添加剂或食品强化剂以提高食品的营养价值。4.3.1微生物酶加工小球藻片和小球藻胶囊是目前国际上主要的小球藻产品,是一种方便的辅助食品,经过热处理和破壁处理后直接制成。其加工工艺及设备简单,且加工条件温和,能高度保持藻类的营养和生物活性成分,产品可用于降血压、降血脂、增强免疫力、防治胃溃疡等。还可以通过微量元素富集强化培养小球藻,如富硒小球藻,利用小球藻的生物转化功能将无机硒转变成有机硒,使其具有普遍的使用和保健价值。4.3.2选择适宜的品种面条是一种销量较大的方便食品,开发小球藻面条具有巨大的市场前景,所以小球藻在食品加工中用量最大的品种将是面条和方便面。在面粉中添加小球藻,不仅使面条的营养更丰富均衡,而且可增加面团的延展性和柔软性,以及面的增重率和增容率,提高光泽度,赋予面条小球藻特有的颜色和风味,使面条的色香味更佳。日本已研制并批量生产小球藻面条,小球藻的添加量为质量分数0.1%~1%。4.3.3藻体汁添加量对面包的影响加工面包,在揉面时加入小球藻,可使面团发酵时气体产生量增加,使面包形成气孔和多孔组织,面包体积增加。而且成品表面的颜色、形态、内部的色泽和口感均较未添加时好,使其具有独特的颜色和风味。与此同时也可以提高面包中的维生素、微量元素的含量,增强营养价值,具有保健功能。此外,藻体有持水作用,可延缓面包的淀粉老化变硬,使保存期限延长。日本等已研制开发了添加小球藻粉或绿藻精的面包。小球藻的添加量占面粉质量的0.1%~1.0%为宜。4.3.4小球藻饼干添加量的确定传统的饼干营养成分比较单调,主要是糖和油脂,且热量高。若在饼干中加入小球藻,可实现营养的互补与强化,使其蛋白质﹑维生素﹑不饱和脂肪酸的含量都有所增加,添加量控制在质量分数0.2%~2%之间。4.3.5小球藻饮料的加工小球藻含多糖、蛋白质、氨基酸、核酸、维生素、脂肪酸、色素等,小球藻粉用热水或其他溶剂抽提,经过除杂浓缩后制成小球藻抽提物,应用范围将比小球藻粉更加广泛。首先可用于制造小球藻保健饮品,小球藻口服液可克服藻片难吞咽、有土腥味、消化率低等缺点,方便使用,老少皆宜。钟瑞敏经过对酶解小球藻保健饮品加工工艺的研究得出结论:以小球藻粉为原料,经60℃热浸复水,30MPa高压均质,小球藻细胞可有效破壁。经纤维素酶和果胶酶在pH4.5、45℃作用2h可以在一定程度上提高小球藻细胞蛋白的提取率,进一步用碱性蛋白酶在pH8.0、65℃作用4h,可有效降解蛋白质并得到稳定的可调配的酶解液,用活性炭可完